多通道施肥机水力特性及其结构优化研究*

2020-08-21陈跃威

机电工程 2020年8期

刘敏,陈跃威

(1.贵阳学院数学与信息科学学院,贵州贵阳 550005;2.贵州大学机械工程学院,贵州贵阳 550025)

0 引言

水肥一体化技术是一种通过压力管道输送水肥溶液,集灌溉和施肥于一体的现代农业技术;其具有施肥精准、高效、环境污染小等优点[1-3]。该技术现已引进国内并推广使用,但是因为水肥一体化技术在国内尚处在发展期,市场上的施肥机的种类大有不同,吸肥设备也没有统一的规格,不同施肥机的吸肥量以及吸肥器的水力特性也存在差异。

施肥机吸肥的核心部件多为文丘里式,一些学者对水肥一体化灌溉施肥机吸肥水利特性进行了深入研究。陈囡囡等[4]对简易型三通道施肥机不同灌溉主管进口压力、流量和吸肥通道开启个数对吸肥量的影响规律进行了研究;田莉等[5-6]对水肥一体化施肥机不同边界条件下变量吸肥水力特性、“后进前出”模式下水源吸入及水肥混合液稳定输出的效果进行了数值仿真及实验研究;王海涛[7]对大吸肥量文丘里施肥器结构进行了参数优化与模拟仿真研究,研究成果应用提高了我国水肥一体化施肥机施肥精度。射流泵在实际使用过程中吸入腔内产生能量交换和高速的流体冲击,流体进出口的压差会在吸入腔内产生高频的噪音以及剧烈的震动[8-9],过大的压差产生的震动会使射流泵产生裂纹以至破碎。此外,农作物对于肥料和水的需求量都有一定的标准;施肥机设备对于灌溉送肥所提供的水压以及流量都有相应要求。优选施肥机工作通道及研究工作时吸肥量以及吸肥设备的水力特性具有重要意义。

针对水肥一体化施肥机精量施肥与应用的要求,本文将开展多通道施肥机水力特性、结构优化的研究并进行试验。

1 工作原理与结构设计

1.1 工作原理

射流泵是利用射流紊动扩散作用,来传递能量和质量的流体机械混合反应设备[10],其结构如图1所示。

图1 射流泵结构1—吸入室;2—喷嘴;3—喉管;4—扩散管

射流泵主要由喷嘴、吸入室、喉管和扩散管等组成,射流泵吸肥原理是具有一定压力的水流通过锥形的喷嘴时,水流速度发生快速的改变,速度的极速改变会产生一种负压[11];肥料溶液在外界大气压以及肥料溶液自身的压力作用下被吸入到射流泵里,离心泵将水肥混合液沿着压力管道输送至田地,从而实现水肥混合灌溉。

1.2 结构设计

笔者拟利用仿真技术,对并联1～5组的吸肥器展开研究,优选出合适的并联吸肥器数目,进行结构优化,并通过样机试验对其进行验证。

并联1-5射流泵吸肥器如图2所示。

图2 1-5射流泵吸肥器

根据射流泵外部螺纹口的大小,笔者在进、出口两段分别连接一定长度的直径25 mm的PVC管,上部输水和下部混肥的主管道选择50 mm转25 mm的PVC三通,并在三通末端设置50 mm堵头。

2 数学模型构建

2.1 吸肥器主要参数

射流泵用作吸肥器使用时,以流量比、压力比、吸肥效率数值大小来表示其吸肥性能强弱。

(1)流量比为:

(1)

式中:q—流量比;Qs—吸入口流量;Qn—工作流体流量。

(2)压力比为:

(2)

式中:h—压力比;Hc—射流泵出口断面总压头;Hs—吸入口断面总压头;Hn—工作进口断面总压头。

(3)效率为:

(3)

式中:η—吸肥效率。

(4)吸肥条件

根据伯努利方程和连续性方程,作为吸肥器吸肥量,射流泵可表示为[12]:

(4)

式中:A—吸管截面积;h—吸水高度;p—喉管压力。

2.2 数值计算

2.2.1 模型选择

根据流体在射流泵内的流动特性,认为流体在整个泵内是湍流流动,湍流模型选取RNGk-ε模型[13]。

2.2.2 网格划分

由于计算射流泵为水平进水偏向进口的结构形式,其腔内为锥形喷嘴,以及斜面等复杂结构,为提高数值计算的精确性,笔者在网格的划分上利用非结构化网格进行计算,在结构变化大的位置(射流泵的喷嘴、拐角和斜面)进行网格加密处理[14-17]。

2.2.3 边界条件

吸肥管道的进口设定为压力0.25 MPa;吸肥管道的出口实际连接的是离心泵的进口端,这里的边界条件设定为出口体积流量0.002 2 m3/s。因施肥机吸肥依靠在射流泵内部产生一定的负压,通过外界大气压将肥液吸入射流泵内,射流泵的吸肥口边界条件设置为外界大气压101 325 Pa。

3 仿真结果及分析

3.1 吸肥仿真分析及通道优选

笔者利用FloEFD流体仿真分析软件,根据有限体积法对施肥通道进行流体仿真,包括流体速度云图、压力云图,流体流动迹线的1-5射流泵流体仿真结果如图3所示。

图3 1-5射流泵流体仿真结果

通过模拟单射流泵吸肥工作状态,分析单射流泵吸肥时流体仿真结果可知:流体在进入射流泵时因喉管的口径缩小,流体的速度逐渐升高压强也随之降低;在喉管以下位置速度达到最大值约30 m/s,压强达到最小值并形成负压约0.7 MPa,该条件射流泵进出口压差为0.725 MPa。

观察流体迹线图可知,该条件下的吸肥器有一定的吸肥能力且吸肥量较大,吸入的流体体积流量为5 483.289 6 L/h。

由2条射流泵并联吸肥时的流体仿真结果知:在射流泵喷嘴处流体速度达到最大值约21 m/s,不同于单个射流泵产生高速流体的位置;在射流泵喷嘴下部流体产生一定的负压约0.4 MPa,射流泵进出口的压力差为0.27 MPa;两射流泵吸入的流体体积流量分别为2 076.12 L/h、2 056.32 L/h。

由3条射流泵并联吸肥时的流体仿真结果知:在喷嘴下部流体流速约为20 m/s;3条射流泵由左右侧分别为0.036 MPa、0.059 MPa、0.048 MPa,进、出口的压差为0.18 MPa;三射流泵吸入的流体体积流量分别为1 134.01 L/h、1 150.88 L/h、1 144.93 L/h。

由4条射流泵并联吸肥时的流体仿真结果知:在射流泵的喷嘴处流体具有最高的流速为18 m/s;射流泵喉管处产生的压力值为0.042 MPa、0.011 MPa、0.012 MPa、0.065 MPa,射流泵的进出口的压差值为0.14 MPa;4条并联的射流泵吸入的流体体积流量分别为493.56 L/h、 469.8 L/h、475.92 L/h、502.92 L/h。

由5条射流泵并联时吸肥时的流体仿真结果知:在射流泵的喷嘴处流体最高流速为16 m/s,压力云图在射流泵喷嘴的下边形成一定的负压0.09 MPa,进出口的压力差为0.13 MPa;5条并联射流泵具有一定的吸肥能力,但相对于其他通道数量的吸肥器吸肥能力明显降低,吸入的流体体积流量分别为145.44 L/h、141.12 L/h、145.44 L/h、180.36 L/h、208.44 L/h。

对比汇总数据,5种射流泵的吸肥量如表1所示。

表1 5种射流泵的吸肥量

注:射流泵从左至右分别为1～5号

根据计算分析结果,考虑到水肥一体化施肥机要求能够实现多种肥液的均匀混合并施用于农业灌溉,并联1条和2条射流泵的吸肥器虽然能够提供较高的吸肥量,但吸肥过于单一,不能同时施加氮、磷、钾3种必需的农业肥料,并联4条和5条射流泵构成的吸肥器吸肥量较小,施肥效率较低。

5种射流泵的进出口压差如表2所示。

表2 五种射流泵的进出口压差

并联三通道射流泵时,各通道流量适中及压差较小,均匀性较好。

综上分析,笔者选择并联三通道射流泵作为吸肥器设计施肥机,并对其进行必要的结构优化,提高吸肥量及均匀性。

3.2 三通道吸肥量分析

根据原设计结构仿真结果,三通道吸肥器分别为1 134 L/h、1 150 L/h、1 144 L/h,1-3通道吸肥管道的吸肥量存在一定的差异,可通过结构尺寸调整提高各通道吸肥量及其均匀性。

三通道吸肥器流量分布如图4所示。

图4 三通道吸肥器流量分布

根据质量守恒定律有:

Q0=Q1+Q2+Q3

(5)

式中:Q0,Q1,Q2,Q3—总流量、1通道流量、2通道流量、3通道流量。

则有:

v0A0=v1A1+v2A2+vA3

(6)

式中:v—通道平均流速;A—通道截面积。

图4中1、2、3、4断面的恒定总流量能量方程为:

(7)

式中:Z1,Z2,Z3,Z4—1断面高程、2断面高程、3断面高程、4断面高程;p1,p2,p3,p4—1断面压力、2断面压力、3断面压力、4断面压力;v1,v2,v3,v4—1断面平均流速、2断面平均流速、3断面平均流速、4断面平均流速;a1,a2,a3,a4—1断面动能修正系数、2断面动能修正系数、3断面动能修正系数、4断面动能修正系数;hl1-2,hl2-3,hl3-4—1-2断面水头损失、2-3断面水头损失、3-4断面水头损失。

该吸肥器由3条射流泵并联组成,每条射流泵间距相同,因3个管段内都存在流体水头损失,流进每条射流泵的流体流量不相同,提供的能量也不相同,所以3条射流泵的吸肥能力存在差异,需要调整结构尺寸,使吸肥量均匀化。

4 吸肥器结构优化

4.1 理论分析

根据能量损失计算公式有:

hl=hf+hm

(8)

式中:hl—水头损失;hf—沿程水头损失;hm—局部水头损失。

沿程水头损失为:

(9)

式中:λ—沿程阻力系数;l—管长;d—管径;v—断面处平均速度。

局部水头损失为:

(10)

式中:ξ—局部阻力系数。

分析1-2、2-3、3-4断面水头损失可知,改变三通T型出口两侧的长度缩段主管道长度和吸肥射流泵间距,可降低流体的能量损失,使流入每条射流泵的流体流量和能量趋于一致。

4.2 结构优化

原设计吸肥器主管道是由3个相同的T型三通组成,其结构尺寸示意如图5所示。

图5 吸肥器结构尺寸示意

三通长La=105 mm,内径为50 mm,三通T型出口两侧长度原设计为L1=L2=L3=L4=L5=L6=36 mm。笔者选择该三通作为分析研究的对象,利用FloEFD软件,按三通两侧长度每次缩减梯度ΔL,分别取ΔL1=5 mm,ΔL2=10 mm,ΔL3=15 mm,ΔL4=20 mm,分析不同条件下1、2、3射流泵的吸肥量。

保持基本模型中的其他结构参数不变,L2、L4、L6分别按照ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4梯度同时减小,缩短主管道和3条射流泵之间的距离;对在相同计算边界条件下的数值模拟结果进行分析可知,当L2、L4、L6减小15 mm时,每条射流泵的吸肥量都趋于一致,且吸肥量优于优化前;此时三通道吸肥量分别为1 151 L/h、1 161 L/h、1 164 L/h。

保持基本模型中的其他结构参数不变,L1、L3、L5按照ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4梯度同时减小,缩短主管道和3条射流泵之间的距离;对在相同计算条件下的数值模拟结果进行分析可知,当L1、L3、L5缩短15 mm时,每条射流泵的吸肥量都趋于相同,且吸肥量优于优化前;此时三通道吸肥量分别为1 159.6 L/h、1 158.1 L/h、1 161.7 L/h。

保持基本模型中的其他结构参数不变,L1、L2、L3、L4、L5、L6同时减小15 mm时,在相同计算条件下进行数值仿真模拟,结果显示,三通道的吸肥量分别为1 170 L/h、1 180 L/h、1 225 L/h。

对结构参数调整前后吸肥器的吸肥量进行对比可知,吸肥器结构调整后每条射流泵的吸肥量都有显著提升,按照3条射流泵吸肥量均匀性,选择主管道所有三通的左侧L1、L3、L5,同时吸肥器结构缩短15 mm,对应三通道吸肥量分别为1 159.6 L/h、1 158.1 L/h、1 161.7 L/h。

优化后的吸肥器结构如图6所示。